Глава 5. Расчет горения топлива

5.1 Основные сведения о топливе

Топливо по агрегатному состоянию делится на твердое, жидкое и газообразное, по происхождению – на естественное и искусственное.

Естественным называется топливо, которое применяется в том виде, в каком добыто.

Искусственным называется топливо, полученное из естественного топлива путем его переработки.

Состав топлива.

Топливо состоит из двух частей: горючей и негорючей (балласта).

Горючая часть газообразного топлива состоит из смеси горючих газов: СО – окиси углерода, - водорода,– метана,– углеводородов,- сероводорода, а негорючая часть – из смеси негорючих газов:– углекислого газа,- водяного пара,- азота,– кислорода.

Различают рабочее (влажное) и сухое газообразное топливо.

Составы рабочего и сухого топлива:

где - содержание окиси углерода, водорода и т.д. в рабочем и сухом (с индексом «с») газообразном топливе в % по объему.

При пересчете состава сухого газообразного топлива при влагосодержании () на состав рабочего газообразного топлива рассчитываются:

Объем водяного пара при переводе в него W г воды

,

где и - молекулярная масса и объем водяного пара при нормальных условиях (t = 0 ^оС и Р = 101,325 кПа).

Коэффициент пересчета состава сухого топлива на состав рабочего топлива:

Состав рабочего топлива

и т.д.

5.2 Теплота сгорания топлива

Теплота сгорания топлива – важная характеристика топлива. В зависимости от агрегатного состояния влаги в продуктах сгорания различают высшую (Q_в) и низшую (_Qн ) теплоту сгорания топлива.

Высшей теплотой сгорания называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы количества топлива при условии перевода влаги продуктов сгорания из парообразного состояния в жидкость с температурой t = 0 ^оС.

Низшей теплотой сгорания называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы количества топлива при условии, что влага продуктов сгорания находится в виде пара, охлажденного до 20 ^оС.

Теплота сгорания измеряется в (или),.

Для газообразного топлива количество влаги в продуктах сгорания

,

где ,, … - количество водорода, углеводородов, … в топливе (в % по объему),

- молекулярная масса влаги,

- молекулярный объем,

и разница между высшей и низшей теплотой сгорания

или

В основу расчета теплоты сгорания топлива положен закон Гесса, согласно которому тепловой эффект химической реакции не зависит ни от рода, ни от числа промежуточных реакций, а зависит от конечного и начального состояний реагирующих веществ.

Теплота сгорания рабочего газообразного топлива рассчитывается по формуле:

где СО, Н₂, … , Н₂S - содержание однокомпонентных горючих газов в % по объему,

127,7; 108; …; 234 – теплота окисления I% (по объему),

СО, Н₂, … , Н₂S в кДж.

Расчетная теплота сгорания может отличаться от действительной (опытной), так как в газообразном топливе содержатся пыль и смолы.

Для отопления нагревательных печей в настоящее время в основном используется природный газ.

Ниже дается пример расчета горения природного газа химического состава, %.

СО₂=0,2%; СН₄=92,8%; С₂Н₆=3,7%; С₄Н₁₀=0,2% С₅Н₁₂=0,3%; N₂=2,8%.

Содержание влаги в газе W=28г/м³

Коэффициент расхода воздуха = 1,06

Температура подогрева воздуха = 300⁰С

Определяется:

1. Расход воздуха на горение: - теоретический

- практический

2. Расход продуктов горения: - теоретический

- практический

3. Состав продуктов горения, %.

4. Составляется материальный баланс горения.

5. Определяются низшая теплота сгорания топлива, и температуры горения топлива:

- температура жаропроизводительности t^ж;

- калориметрическая температура t^к.

Выполняется пересчет с сухого состава на влажный.

Коэффициент пересчета с сухого на рабочий газ:

Состав рабочего газа:

Всего:100%

Определяется теоретический расход воздуха на горение 1 м³ газа по составу воздуха в % по объему: 21% О₂ и 79% N₂ и их отношение в дутье

Определяется теоретический расход воздуха на горение 1 м³ газа:

Вычисляется практический расход воздуха:

Определяется объем продуктов горения при

Вычисляем процентный состав влажных продуктов горения при

Всего:100%

Вычисляется количество продуктов горения при .

α влияет на объем азота и на объем избыточного кислорода.

где доля О₂ в воздухе, .

Коэффициент расхода воздуха не изменяет

Действительный выход влажных продуктов горения

Найдем процентный состав продуктов сгорания при

Всего 100%

Для проверки правильности расчета составляется материальный баланс горения топлива объемом при.

Поступило: топливо (природный газ)

ивоздух

где:

Получено:

где -плотность продуктов сгорания:

Определяется низшая теплота сгорания топлива

Для определения температур жаропроизводительности и калориметрическойопределяется начальная энтальпия продуктов сгорания(где).

Т.к. сама теплоемкость зависит от температуры, расчет температур ведется методом проб и ошибок.

Для определения температуры жаропроизводительности задаемсяи по табл.3 приложенияIII [1] найдем энтальпию компонентов q_i=рi, где р-объемная доля компонента в продуктах горения и i-теплосодержание компонента.

<, поэтому >2000⁰С

Задается

>, поэтому находится в пределах 2000-2100Интерполяцией определяется:

Определяется калориметрическая температура горения(аналогичным образом, т.е. также задаетсяи находится тепло из табл.3 приложенияIII [1]:

<; поэтому

Задается , тогдаq=im составит

поэтому 2100⁰<<2200⁰

Калориметрическая температура горения определяет температуру печи:

где -пирометрический поправочный коэффициент, для методических печей=0,65÷0,8

Библиографический список:

1. Теплотехника/под ред. А.П.Баскакова. М.: Энергоатомиздат, 1982.

2. Кривандин В.А. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. М.: Металлургия, 1986.

3. Расчет нагревательных и термических печей/под ред. В.М.Тымчака. М.: Металлургия, 1983.

4. Кривандин В.А. Металлургическая теплотехника. Т.1,2. М.: Металлургия, 1986.

5. Кривандин В.А. Тепловая работа и конструкции печей черной металлургии. М.: Металлургия, 1989.

6. Кривандин В.А. Металлургические печи. М.: Металлургия, 1977.

7. Леонтьев А.И. Теория тепломассообмена. М.: Высшая школа, 1979.

8. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977.

9. Авчухов В.В. Задачник по процессам тепломассообмена. М.:Энергоатомиздат,1986.

10. Телегин А.С. Теплотехнические расчеты металлургических печей. М.: Металлургия, 1982.

11. Мастрюков Б.С. Расчеты металлургических печей. Т 1,2. М.: Металлургия, 1996.

12. Телегин А.С. Термодинамика и тепломассоперенос. М.: Металлургия, 1980.

13. Краснощеков Е.А. Задачник по теплопередаче. М.: Энергия,1980.

14. Панкратов В.В. Сборник задач по теплотехнике. М.: Высшая школа, 1986.

15. Матвеев Г.А. Теплотехника. М.: Высшая школа, 1981.

16. Арнольд Л.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1979.

17. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1980.

18. Телегин А.С. техническая термодинамика. М.: Металлургия, 1992.

19. Тымчак В.Н.,Гусовский В.А. Справочник. Расчет нагревательных и термических печей. М.: Металлургия, 1983.

7